УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВАТЕЛЯМИ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2015 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к автоматической системе обеспечения теплового режима (СОТР) космического аппарата (КА) и представляет собой микропроцессорный блок, управляющий подключаемыми внешними электронагревателями, размещенными на элементах конструкции КА, на основании заданных температурных уставок, информации, снимаемой с подключаемых внешних термодатчиков, в соответствии с внешними командами управления.

Уровень техники

Основной задачей теплового проектирования КА является обеспечение температурных режимов бортового радиотехнического комплекса, отдельных функциональных приборов, различных электромеханических устройств, больших пространственных конструкций, антенно-фидерных устройств и т.п. Их нормальное функционирование и выходные параметры, а также надежность и ресурс работы во многом определяются температурными условиями, в которых эти устройства работают. При размещении бортовой аппаратуры в КА возможны два варианта. В первом случае бортовая аппаратура располагается внутри КА в герметичном контейнере, внутри которого имеется какая-то атмосфера и поддерживается определенный тепловой режим. Во втором случае применяется бесконтейнерный вариант, т.е. бортовая аппаратура открыто располагается непосредственно на рамах и корпусе КА и работает в космическом вакууме.

Распределение температур по элементам конструкции КА определяется полем внешних тепловых потоков, свойствами поверхности аппарата, ориентацией его в пространстве (в космосе одна и та же поверхность, ориентированная по-разному относительно поля внешних тепловых потоков, будет иметь разную температуру), энергопотреблением бортовой аппаратуры, тепловыми связями в аппарате и рядом других факторов. Различные элементы аппарата должны быть работоспособны в определенных диапазонах температур. Например, внешняя аппаратура КА «Ресурс-01» устанавливается на открытой платформе, которая расположена на торце гермоконтейнера со стороны Земли. Некоторые приборы попадают на несколько часов в тень, отбрасываемую корпусом сканирующего радиометра, гермоконтейнером или приборной платформой. То есть разные устройства имеют разные температурные условия. Поэтому в любом современном КА обязательно должна быть бортовая система обеспечения теплового режима, сокращенно - СОТР.

Термостабилизация внешней аппаратуры осуществляется с помощью радиаторов с заранее рассчитанной площадью поверхности. В качестве радиаторов используются поверхности, обращенные в сторону Земли или в теневое полупространство. Основная поверхность приборов и элементов конструкции закрывается экранно-вакуумной теплоизоляцией. Температура части приборов регулируется управляемыми нагревателями, включаемыми по меткам времени в соответствии с заходом конкретного элемента конструкции в тень.

В качестве нагревателей используются промышленные электронагреватели, совмещенные с термочувствительными элементами и необходимыми устройствами для телеметрического контроля, которые могут использоваться в любых системах, требующих автоматического регулирования, причем не обязательно в системах космических.

Например, для решения задачи многоканального автоматического регулирования температуры по принципу последовательной циклической выборки значений заданной и действительной температур каждого канала известен многоканальный импульсный регулятор температур (авторское свидетельство SU 1215102). Регулятор содержит блок задания температуры, цифроаналоговый преобразователь, схему сравнения, пропорциональный блок и пороговый элемент, выход которого соединен с информационными входами ключей первой группы, связанных выходами с информационными входами дискретных запоминающих блоков, выходы которых подключены к входам исполнительных элементов. Кроме того, содержит последовательно соединенные генератор тактовых импульсов и делитель частоты, кольцевой счетчик, связанный выходом с первым входом блока задания температуры, второй выход которого подключен к входу дешифратора, соединенного выходами с управляющими входами ключей первой и второй групп. Информационные входы ключей второй группы подсоединены к выходам термопреобразователей, а выход через усилитель - к второму входу схемы сравнения. Также содержит генератор пилообразного напряжения, выход которого соединен со вторым входом порогового элемента, и последовательно соединенные блок задания переменных коэффициентов и третью группу ключей, управляющие входы которых связаны с выходом дешифратора, а выходы - с управляющими входами пропорционального блока.

Такой регулятор обеспечивает параллельную широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) в n каналах регулирования с периодом генератора пилообразного напряжения с одновременной автоматической установкой в каждом канале своего коэффициента усиления.

Недостатком является инерционность регулирования температуры, определяющая ограниченную точность регулировки, так как в качестве формирователя сигнала управления используются ШИМ сигналы с аналогового генератора пилообразного напряжения.

Этот недостаток можно исключить путем записи заданных температурных значений каждого канала (температурных уставок) в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) и сравнением их с текущими температурными значениями устройств (каждого канала), в которых находятся нагреватели. Путем вычисления разностного сигнала между заданными и текущими значениями температур, а также управлением нагревателями в соответствии с величиной разностного сигнала можно достигать разностный сигнал, близким к нулю, и тем самым поддерживать заданные значения температур в каждом канале. Такой принцип поддержания заданных значений температур в каждом канале осуществляется в блоке управления нагревателями по патенту РФ N 106768, взятом за прототип. Блок управления нагревателями содержит микропроцессор, соединенный со сторожевым таймером, ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), порты вывода цифровой информации, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), ППР (порт приема дискретных данных), связанные между собой через внутреннюю магистраль, разъем (для подключения термодатчиков), соединенный с входами измерительных усилителей, выходы которого соединены с входами аналогового коммутатора, управляющий вход которого соединен с портом вывода цифровой информации, а выход - с одним входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом ЦАП (цифроаналогового преобразователя), а выход - с одним входом ППР, вторые входы которого соединены с выходами устройства управления, входы которого соединены с командным разъемом, вход микропроцессора соединен с портом вывода цифровой информации, который соединен с входами выходных формирователей, входами ЦАП и одним входом формирователя телеметрического сигнала, второй вход которого соединен с выходом ЦАП, а выход - с разъемом телеметрии, выходы выходных формирователей соединены с разъемом (для подключения электронагревателей).

В устройстве-прототипе обеспечиваются расширенные функциональные возможности, точность и надежность блока управления n-м количеством электрических нагревателей для объектов, требующих разных значений рабочих температур. Технический эффект достигается за счет реализации цифрового способа управления процессом импульсного нагрева с циклической обработкой информации от внешних термодатчиков и сравнения их с температурными уставками, прошитыми в ПЗУ. Однако сравниваемые сигналы являются аналоговыми, а это, особенно в жестких условиях эксплуатации, негативно сказывается на точности измерений, что в целом определяет недостаточную надежность работы бортовой аппаратуры.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности работы бортовой аппаратуры космического аппарата.

Раскрытие изобретения

Сущность предлагаемого изобретения заключается в техническом обеспечении, высокой точности и стабильности поддерживаемых температур электрическими нагревателями бортовой аппаратуры КА (в цифровом методе сравнения эталонных температур, записанных в ПЗУ, с фактическими, обеспечивающими нагревателями аппаратуры КА, реализуемом конкретной структурной схемой устройства определенных блоков), что определяет высокую надежность работы блоков КА в условиях открытого космоса.

Устройство управления нагревателями аппаратуры космического аппарата включает в себя связанные через внутреннюю магистраль: микропроцессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) с портами вывода цифровой информации, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) для задания температурных уставок по каждому нагревателю, порт приема дискретных данных. В ПЗУ прошивается программное обеспечение температурных уставок и работы всего устройства. Кроме того, устройство управления содержит последовательно соединенные: разъем для подключения N-го количества термодатчиков, N измерительных усилителей по каждому датчику, аналоговый коммутатор с N входами по каждому усиленному сигналу с датчиков. Управляющий вход аналогового коммутатора соединен с одним из выходов порта вывода цифровой информации ОЗУ, ряд других выходов которого соединены с рядом выходных формирователей сигналов для управления каждым электронагревателем.

Введение в блок управления нагревателями после аналогового коммутатора последовательно соединенных блоков: аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифрового компаратора, второй вход которого также соединен с портом вывода цифровой информации ОЗУ, откуда поступает информация о заданных в ПЗУ температурных уставках, позволяет обеспечить сравнение значений текущих значений температур с температурными уставками, представленными в цифровом виде, и тем самым достигнуть высокой точности и стабильности результата (отсутствует аналоговый метод измерений, при котором в условиях эксплуатации имеет место нестабильность, а значит. и точность характеристик). Цифровой компаратор представляет собой схему сравнения входных сигналов в цифровом виде, с выхода которой снимается результирующий сигнал, который обрабатывается ЭВМ (ППР, МП, ОЗУ, ПЗУ), и данный сигнал обработки с порта вывода цифровой информации ОЗУ управляет выходными формирователями (ключи закрыты при текущей температуре, превышающей температурную уставку, или открыты при текущей температуре, меньшей температурной уставки), тем самым определяется момент включения или отключения нагревателей, поддерживая таким образом текущие температуры в соответствии с установленным в ПЗУ температурными уставками.

По управляющему входу аналогового коммутатора разрешающим сигналом с порта вывода цифровой информации ОЗУ задается частота последовательного опроса текущих значений температур с выхода измерительных усилителей за определенный период времени. Таким образом обеспечивается импульсный нагрев электрических нагревателей, регулируемый цифровым способом. Это обеспечивает очень высокую точность поддержания нужной температуры, так как фактически в каждый период опроса происходит корректировка нагрева электронагревателей, подключенных к разъему, в соответствии с реальной температурной ситуацией на обогреваемых элементах.

Стабильность температурного режима - один из важных факторов, влияющих на надежность работы бортовой аппаратуры.

Так как в ПЗУ могут программироваться и прошиваться фактически любые уставки, функциональные возможности заявляемого устройства могут варьироваться в широком диапазоне значений и ограничиваться лишь мощностью управляемых электрических нагревателей.

Коме того, в аппаратуре современных КА в соответствии с ГОСТ Р 52070-2003 применяются стандартизированные интерфейсы последовательных мультиплексных каналов обмена (МКО), включающих в себя бортовую вычислительную машину с системным и локальными контроллерами, которые по линии передачи информации управляют распределенными подсистемами электроснабжения, обеспечения теплового режима, ориентации и стабилизации, телеметрической, радиопередающей, информационной и научной аппаратурой целевого назначения. Для этой цели в заявляемое устройство введен информационный интерфейсный модуль, в состав которого входит приемопередатчик, контроллер (см. микросборки серии 2600ВГ1Т). Введение информационного интерфейсного модуля позволяет всесторонне с высокой точностью в цифровом виде считывать информацию для телеметрии, своевременно управлять режимами работы, что также повышает надежность работы бортовой аппаратуры.

Таким образом, благодаря введению новых признаков - аналого-цифрового преобразователя, цифрового компаратора, информационного интерфейсного модуля - обеспечивается поддержание заданной температуры каждого электронагревателя, подключаемого к одному из разъемов БУН, базирующейся на постоянном отслеживании реальной температуры каждого элемента КА и формировании импульсного сигнала, управляющего нагревом этого элемента с заданной периодичностью измерительного цикла, записанной в ПЗУ. Это позволяет обеспечить высокую точность устанавливаемых температур, определяет стабильность работы устройства управления с n-м количеством электрических нагревателей для объектов, требующих поддержания разных значений рабочих температур, обеспечить всесторонне с высокой достоверностью телеметрию и управление режимами работы устройства. В целом это определяет высокую надежность работы бортовой аппаратуры по температурному режиму.

Графические иллюстрации

На приведенной фигуре в качестве графической иллюстрации приведена структурная схема устройства управления нагревателями аппаратуры КА, снабженного тремя разъемами для связи с внешними устройствами: разъемом для подключения внешних термодатчиков, разъемом для подключения внешних электрических нагревателей, интерфейсным разъемом для связи с бортовой электронно-вычислительной машиной, формирующей команды управления блока управления нагревателями и передающей во внешний мир сформированную телеметрическую информацию по работе всего устройства

Осуществление изобретения

Устройство управления нагревателями аппаратуры КА содержит блоки, обозначенные позициями на Фиг. 1:

МП (микропроцессор) - 1;

ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) - 2;

Порты вывода цифровой информации: РА - 3, РВ - 4, PC - 5;

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) - 6;

ППР (порт приема дискретных данных) - 7;

Разъем первый (для подключения термодатчиков) - 8;

ИУс (измерительные усилители) - 9;

АК (аналоговый коммутатор) - 10;

ВФ (выходные формирователи) - 11;

БУ (блок управления) - 12;

Разъем второй (для подключения электронагревателей) - 13;

ИИМ (информационный интерфейсный модуль) - 16;

АЦП (аналого-цифровой преобразователь) - 14;

ЦК (цифровой компаратор) - 15;

Разъем третий (командный и телеметрии) - 17.

Микропроцессор 1 (например, типа ADSP 2189NBCA-320) осуществляет все функции по организации работы блока, синхронизации взаимодействия его составных частей и выполнению необходимых вычислительных операций, производит выборку команд и данных из памяти программ ПЗУ 6 и памяти данных, производит арифметические и логические операции над данными, управляет сигналами на внутренней шине адреса данных. Микропроцессор 1 - основной программно-управляемый элемент, осуществляющий процесс обработки цифровой информации. Он генерирует адресные сигналы и управляющие импульсы, необходимые для обращения к памяти и устройству ввода вывода, а также отвечает на запросы прерываний.

Через внутреннюю магистраль ОЗУ 2, ПЗУ 6 связаны с портом приема дискретных данных ППР 7. В соответствии с программным обеспечением, заложенным в ПЗУ 6, микропроцессор организует работу по нескольким жестким циклам.

В качестве ОЗУ 2 может использоваться, например, ОЗУ статического типа 909 РУ1Т. При обращении микропроцессора 1 к ОЗУ 2 происходит запись информации в ячейки памяти ОЗУ 2 или передача информации из ячеек памяти ОЗУ 2, при отсутствии обращения - ячейки ОЗУ 2 находятся в режиме хранения информации.

ПЗУ 6 может быть построено на микросхеме типа М1623РТ1А с однократным электрическим программированием. В ПЗУ 6 хранится штатное бортовое программное обеспечение, включающее в себя набор рабочих и контрольных программ и таблицы температурных констант (уставки и граничные значения температур).

Обращение к ПЗУ 6 происходит только по сигналу микропроцессора 1, поступающему на управляющий вход дешифратора ПЗУ 6, при этом на выходы, то есть на шину выводится содержимое выбранной ячейки памяти ПЗУ 6.

Порт РА 3 предназначен для управления через выходные ключи выходных формирователей 11 электронагревателями системы СОТР, причем каждому из n разрядов порта соответствует свой канал нагревателя.

Через порт РВ 4 задаются код и температурные константы (уставки или граничные значения), либо элементы телеметрического сигнала БУН.

Старшие разряды порта PC 5 управляют последовательным переключением n измерительных каналов аналогового коммутатора 10 с периодичностью t₁/n с (измерительный интервал, каждому каналу), где n - число каналов блока, t₁ - время опроса всех n каналов.

Внешние термодатчики через разъем 8 и измерительные усилители 9, которые преобразуют величину сопротивления в уровень постоянного напряжения, соединены с одним входом аналогового коммутатора 10, с выхода которого преобразованные и усиленные сигналы поочередно поступают на вход АЦП 14, построенного, например, на базе микросхемы 1273 ПВ2АТ. Выбор канала аналогового коммутатора 10, который может быть построен на микросхемах типа 590 КН6, осуществляется управляющими цифровыми сигналами, поступающими с порта вывода цифровой информации PC 5 на второй вход аналогового коммутатора 10.

В качестве термодатчиков могут использоваться проволочные термометры сопротивления, имеющие нормированную характеристику сопротивления от температуры окружающей среды. Измерительные усилители 9 могут быть выполнены в виде n одинаковых измерительных усилителей, построенных на базе прецизионных операционных усилителей 140 УD17A.

На один вход порта приема дискретных данных 7 в виде формата m-разрядного слова из блока управления 12 поступают сведения о принятых командах управления с информационного интерфейсного модуля 16 (от локального контроллера бортовой ЭВМ через командный разъем 17), а на второй вход - от цифрового компаратора 15 в виде результата сравнения контролируемой температуры с уставками и граничными значениями (больше или меньше). Порт приема дискретных данных 7 представляет собой селектор, например микросхема 1554 АП5, информация которого считывается по сигналу опроса микропроцессора 1. Так, например, выходы селектора выводятся из высокоимпедансного состояния сигналом, поступившем на входы управления при опросе (чтении) порта микропроцессором 1, при этом на выходных шинах селектора устанавливаются данные со входа селектора.

Блок управления 12 может быть выполнено в виде группы ключей или общего переключающего устройства. При поступлении команды СУ-Т на один из входов блока управления 12 устанавливается технологический режим работы. Этот режим используется только при наземных комплексных испытаниях системы СОТР. Он характеризуется тем, что штатные температурные установки заменяются на единую для всех каналов технологическую уставку, например 25°C, что дает возможность проверить работу всех нагревателей системы при температуре окружающей среды ниже 25°C.

Информационный интерфейсный модуль 16 по магистральному каналу связи через разъем соединен с локальным контроллером бортовой ЭВМ. Магистральная шина линии передачи информации выполняется из кабеля с витой экранированной парой проводов в защитной оболочке, к которым с обоих концов кабеля подключаются согласующие элементы. В качестве информационного интерфейсного модуля 16 может быть использован, например, модуль сопряжения USB TA1-USB с мультиплексным каналом по ГОСТ Р 52070-2003 (MIL-STD-1553B). Данный информационный интерфейсный модуль способен обрабатывать около 500 сообщений в секунду. В интерфейсах мультиплексных каналов обмена обмен информацией осуществляется по принципу команда - ответ с временным разделением сообщений, состоящих из командных, информационных и ответных слов. По мультиплексному каналу обмена передаются команды управления от локального контроллера, а также телеметрическая информация (через бортовую вычислительную машину) по каждому каналу и по работе всех ключевых элементов схемы. Например, через сигнал "Тепловой контроль" в систему телеметрии выдаются квитанции о приеме управляющих команд смены уставок, а также диагностическая оценка работы канала: находится ли контролируемая температура в допустимых рабочих границах. Возможность управления переходом в разные режимы через командный разъем (в том числе и резервирования) обеспечивает высокую надежность блока.

Описание работы устройства

Фактические значения температур фиксируются термодатчиками, установленными на объектах, требующих подогрев с помощью нагревателей. Через разъемы 8 датчики подключаются к измерительным усилителям 9, выходной сигнал с которых является аналоговым и поступает на вход аналогового коммутатора 10.

Выходные порты PC 5 управляют последовательным переключением n измерительных каналов аналогового коммутатора 10, как было показано выше, с периодичностью t₁/n с.

Текущие значения температур в цифровом виде по каждому каналу считываются с выхода АЦП 14, другие элементы телеметрического сигнала, предварительно подготовленные и хранящиеся в цифровом виде из ОЗУ 2. Так, например, фиксированные коды маркера "Начало цикла", маркера канала, сигнал "Тепловой контроль" и т.д. считываются из ПЗУ 6. Сигнал "Скважность" вычисляется за предыдущий интервал времени работы и представляет собой величину, пропорциональную отношению суммарного времени включенного состояния данного нагревателя к общему времени работы. Информация включенного состояния нагревателей поступает с определенной дискретностью для каждого текущего интервала, поэтому код сигнала "Скважность" подсчитывается и обновляется каждый данный текущий интервал.

В ПЗУ 6 запрограммированы уставные значения температур для каждого нагревателя, которые через ОЗУ 2 и его выходной порт РВ 4 поступают на цифровой коммутатор 15, туда же поступает цифровой сигнал с информацией о фактических температурах с АЦП 14. Результаты сравнения этих сигналов через порт приема дискретных данных 7 и магистральную шину поступают в ОЗУ 2, которое через порт РА 3 управляет выходными формирователями 11. Выходные формирователи 11 - это n усилителей мощности, работающих в ключевом режиме, нагрузкой которых являются внешние нагреватели, например металлопленочные резисторы, изготовленные по технологии гибких печатных плат. Количество выходных формирователей 11 определяется числом выходных каналов. Усилитель мощности выходного формирователя 11 может быть выполнен в виде последовательно включенных предусилителя и мощного ключевого каскада. На предусилитель заводятся сигналы с информацией о тепловой обстановке в каналах ("1" - температура ниже уставки, "0" - выше уставки). Сигналы, имеющие высокий уровень, открывают цепи базовых токов выходных каскадов. Выходные транзисторные ключи открываются и входят в режим насыщения, обеспечивая протекание тока от бортового источника в коллекторной нагрузке - нагревателях. Сигналы, имеющие низкий уровень, закрывают транзисторы формирователя и нагреватели обесточиваются.

Таким образом достигается и поддерживается с высокой точностью и стабильностью равенство текущих температурных значений по каждому каналу с температурными уставками, записанными в ПЗУ 6.

Изобретение относится к автоматической системе обеспечения теплового режима космического аппарата (КА). Технический результат - высокая точность и стабильность поддерживаемых температур, высокая надежность работы. Устройство управления нагревателями включает в себя связанные через внутреннюю магистраль: микропроцессор, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) с портами вывода цифровой информации, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), порт приема дискретных данных. В ПЗУ прошивается программное обеспечение температурных уставок по каждому нагревателю и работы всего устройства Благодаря введению новых признаков - аналого-цифрового преобразователя, цифрового компаратора, информационного интерфейсного модуля - обеспечивается поддержание заданной температуры каждого электронагревателя, базирующейся на постоянном отслеживании реальной температуры каждого элемента КА и формировании импульсного сигнала, управляющего нагревом этого элемента с заданной периодичностью измерительного цикла, записанной в ПЗУ. Это определяет стабильность работы устройства управления с n-м количеством электрических нагревателей для объектов, требующих поддержания разных значений рабочих температур, обеспечить всесторонне с высокой достоверностью телеметрию и управление режимами работы устройства. 1 ил.

Устройство управления нагревателями аппаратуры космического аппарата, включающее в себя разъемы для подключения термодатчиков, располагаемых на бортовых аппаратах, требующих нагрев и контроль температуры, и разъемы для подключения электронагревателей, предназначенных для подогрева этих бортовых аппаратов, содержащее измерительные усилители по каждому сигнальному каналу с термодатчиков и последовательно соединенный с его выходом аналоговый коммутатор, предназначенный для последовательного переключения измерительных каналов за установленный период времени, содержащее также заведенные на одну магистральную шину: микропроцессор, порт приема дискретных данных, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) с портами вывода цифровой информации, первый из которых, предназначенный для управления электронагревателями, соединен с выходными формирователями, работающими в ключевом режиме, нагрузкой которых являются внешние нагреватели, подключаемые через упомянутые выше разъемы, отличающееся тем, что введены аналогово-цифровой преобразователь, цифровой компаратор и информационно-интерфейсный модуль, причем по входу аналогово-цифровой преобразователь подключен к выходу аналогового коммутатора, а по выходу - к одному из входов цифрового компаратора, предназначенного для сравнения фактических температур с температурными уставками по каждому объекту нагрева, и к одному из входов информационно-интерфейсного модуля, при этом второй вход цифрового компаратора соединен со вторым портом вывода цифровой информации ОЗУ, отвечающего за температурные уставки, и со вторым входом информационно-интерфейсного модуля, третий вход которого соединен с третьим портом вывода цифровой информации ОЗУ, отвечающего за телеметрический код, а четвертый порт вывода цифровой информации ОЗУ, отвечающего за последовательность выбора температурного канала, соединен со вторым входом аналогового коммутатора, при этом выход цифрового компаратора заведен на один вход порта приема дискретных данных, второй вход которого соединен с выходом блока управления, подключенного по своему входу к выходу информационно-интерфейсного модуля, имеющего магистраль, заведенную на разъем для подключения к локальному контроллеру бортовой ЭВМ.